JP2007128951A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【目的】 リアクトルの小型化、低損失、低コスト化を目的とする。
【構成】 ２つの棒状の軟磁性金属圧粉コア１１と２つの板状のソフトフェライトコア１２を組み合わせてリアクトルの複合コアを構成するものであり、コイル１４が巻回されたボビン１３の中空孔１３ａに軟磁性金属圧粉コア１１がそれぞれ組み込まれ、該軟磁性金属圧粉コア１１がコイル１４の取付巻回軸となり、フェライトコア１２に組み合わせて複合コアを形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子電気回路部品における、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータ等の電圧変換として用いられるリアクトル、チョークコイル等のインダクタンス素子に関する。

従来の比較的大電力用リアクトルのコアとしては、主に珪素鋼板を積層したものが用いられてきた。近年では、インバータ回路全体の小型化を図るため、駆動周波数を２０ｋＨｚ程度、またはそれ以上の周波数で駆動されるものが増えている。しかし、前記珪素鋼板からなるコアを用いたリアクトルは、１０ｋＨｚ以上の周波数では鉄損の増大が著しく、それによる発熱が高く、使用を困難としていた。このため、駆動周波数の高いインバータに用いるリアクトルは、ソフトフェライトコア（以下、フェライトコアを表記する）や軟磁性合金圧粉コア（以下、圧粉コアと表記する）などの鉄損が低いコアを使用する傾向にある。

図７から図８にリアクトルの構造例を示す。図７は、フェライトコアを使用したリアクトルの断面図である。２個のＥ型フェライトコア４２とコイル４４を施したボビン４３より構成されている。Ｅ型フェライトコア４２の中脚４２ａの対向部には、電流に対する磁束飽和を抑制するギャップＧを設けている。

図８は、リング形状の圧粉コアを使用したリアクトルの断面図である。粒径数十μｍ程度の飽和磁束密度の高い軟磁性金属粉末の表面を絶縁を施した後、金型による加圧成形により得られるリング状の圧粉コア５１の表面に樹脂コーティング５３を施し、その上にコイル５４を設けたものである。

図７に示すフェライトコアを用いたものは、ソフトフェライトの飽和磁束密度（以下、Ｂｓと表記する）が小さいことが問題である。ソフトフェライトのＢｓはソフトフェライトの中ではＢｓの高いＭｎ系ソフトフェライトの場合でも０．５Ｔ程度であり、圧粉コアの０．８〜２．０Ｔという値に比べて大幅に低く、他の軟磁性材質に比較してコアの断面積をより大きくし、巻数もより多数回巻かなければならない。なお、ソフトフェライトは低価格であり、またＭｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトは他の軟磁性材質に比べて、鉄損は著しく低いという利点をもっている。

また、図８に示す圧粉コアを使用したリアクトルは、インバータの駆動周波数の高周波化に伴い採用が増加している。圧粉コアの代表例であるセンダスト（登録商標），パーマロイ等のダストコアの鉄損はソフトフェライトよりは大きいが、珪素鋼板の鉄損に比べればかなり低く、高いＢｓを有しており、ソフトフェライトに比べ、リアクトルの小型化が可能である。

しかし、圧粉コアの価格は、珪素鋼板やソフトフェライトに比べて高価であるため、普及の障害となっており、また、図８に示したリング形状の圧粉コアの場合には、そのコア形状のために、大電流を流せる太線を巻く工程を自動化することは困難で、巻線は手作業となり、コストアップという問題点も抱えている。

本発明は、上述したフェライトコアと圧粉コアのそれぞれの利点，問題点を鑑み、小型で低損失なリアクトルを提供するものである。

本発明は、軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、コイルは前記軟磁性合金圧粉コア部分のみを取付巻回軸としたリアクトルである。

また本発明は、軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、２つの棒状の軟磁性合金圧粉コアが平行配置され、前記棒状の軟磁性合金圧粉コアの同一方向の端部間を繋ぐ板状あるいは棒状の２つのソフトフェライトコアにより、四辺形の閉磁路複合コアを形成し、かつ、前記軟磁性合金圧粉コアのみを取付巻回軸とするコイルで構成されているリアクトルである。

また本発明は、軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、ソフトフェライトコアはロ字型形状であり、該ロ字型のソフトフェライトコアの一対の対向辺を棒状の軟磁性合金圧粉コアが繋ぎ、日字型の閉磁路複合コアを形成し、かつ、前記軟磁性合金圧粉コアのみを取付巻回軸とするコイルで構成されているリアクトルである。

また本発明は、ソフトフェライトコアの飽和磁束量が、軟磁性合金圧粉コアの飽和磁束量の４０％から８０％の範囲にあるリアクトルである。

また本発明は、軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コア全体の透磁率を調節するため、軟磁性合金圧粉コアの端部と、ソフトフェライトコアの間にギャップを設けたリアクトルである。

また本発明は、軟磁性合金圧粉コアの代わりに、軟磁性合金の粉末を結合剤で相互に結合してなる粉末成形コアを用いるリアクトルである。

リアクトルの低損失、サイズおよびコア重量の低減を実現し、リアクトルに起因する消費電力の削減および重量軽減による輸送コストの削減を可能とした。

本発明は、リアクトルのおけるコイルの取付あるいは巻回軸となるコア部分を、高飽和磁束密度の圧粉コア、残りのコイル非取付巻回部分のコアを低鉄損のフェライトコアで構成することにより、高磁束密度の軟磁性合金圧粉コアに対して、低損失のソフトフェライトコアの断面積を適切に選択した組み合わせとすることで、実用上は不必要な定格電流以上の領域でのインダクタンスを低減させ、リアクトルの低損失，小型化を可能としたものである。以下、実施例を用いて本発明の最良の形態を説明する。

図１および図２は本発明の実施例１を示したので、図１は本発明のリアクトルの外観図、図２は図１の部品構成および構造を示す分解斜視図である。

実施例１は、リアクトルのコアを、２つの棒状の圧粉コア１１と２つの板状のフェライトコア１２を組み合わせて構成し、コイル１４が巻回されたボビン１３の中空孔１３ａに前記圧粉コア１１がそれぞれ組み込まれ、該圧粉コア１１がコイル１４の取付巻回軸となる。

コイル１４が施されたボビン１３を装着した２つの圧粉コア１１は、フェライトコア１２に組み合い四辺形の複合コアを形成する。フェライトコア１２の圧粉コア１１との当接部は凹部１２ａを設け、また、圧粉コア１１のフェライトコア１２との当接部は、前記フェライトコア１２の凹部１２ａに嵌め合う形を成し、圧粉コア１１とフェライトコア１２の組み合わせ時の、位置ずれ防止している。

実施例１の形態おける特性評価として、圧粉コア１１としてＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末を使用し、フェライトコア１２としてはＭｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトを使用した。コイル部分を含むリアクトル全体の大きさは、７８−７２−高さ４５（ｍｍ）である。コアの磁路断面積は、圧粉コア部分を２５５ｍｍ^２、フェライトコア部分を３００ｍｍ^２の形状とした。また、室温における圧粉コアのＢｓは０．８２Ｔ、フェライトコアのＢｓは０．４９Ｔである。

実施例１におけるリアクトルは、８Ａ定格を想定したもので、コイルは図１および図２に示した２つのコイル１４をφ１．７ｍｍ−９４ターンで構成し、該２つのコイル１４は直列接続され計１８８ターンとし、前記２つのコイル１４で発生するコアの磁束が伴に同一方向となるようにしている。

上記条件を基準として、フェライトコア１２の断面積を増減した場合の、リアクトルの複合コアにおける圧粉コア部分とフェライトコア部分の総磁束量比率および実装状態における推定コア損失を表１に示す。なお、総磁束量とは、使用するコアが発生することのできる磁束量のことで、材質の飽和磁束密度×断面積で表すことができ、上記基準時の各材質からなるコア部分の磁束量は、圧粉コア部分は２０９．１×１０^−６（ｗｂ）、フェライトコア部分は１４７×１０^−６（ｗｂ）となり、総磁束量比率は、分母を圧粉コア部分の磁束量、分子をフェライトコア部分の磁束量しており、よって上記基準値における総磁束量比率は７０．３％として表している。

なお、１−ａと１−ｂは比較例として、図１および図２に示すフェライトコア１２を圧粉コアで構成し、リアクトルのコア全体を圧粉コアとしたものである。また１−ａを除く１−ｂ〜１−ｇは、リアクトルの０Ａ時のインダクタンスが約２ｍＨとなるように、圧粉コアとフェライトコアの対向部分に、ギャッブを設けて前記インダクタンス値に調整した。図３に１−ａ〜１−ｇの各リアクトルの直流重畳特性を示す。

図３の結果により、１−ｂ〜１−ｅは、ほぼ同一の直流重畳特性を示した。１−ｆと１−ｇは、フェライトコア部分の磁束量が、圧粉コア部分の磁束量に比べて、大幅に小さいために磁気飽和しやすく、そのためにインダクタンスが急激に低下している。

なお、本実施例１は出力定格電流８ＡrmsのＤＣ／ＡＣコンバータ用リアクトルとして設計しており、ピーク電流１２Ａ付近までは１．４ｍＨ程度のインダクタンスを必要され、先に述べた１−ｆのリアクトルであれば、出力定格電流８ＡrmsのＤＣ／ＡＣコンバータ用リアクトルと使用できものであり、コイルの取付巻回軸をなっている圧粉コア部分の総磁束量に対して、フェライトコア部分の総磁束量が４０％以上あればリアクトルとして使用できるものである。

さらに、１−ｃと１−ｄの直流重畳特性は、２０Ａ付近までほぼ同一であることから、好ましくは、フェライトコア部分の総磁束量は、圧粉コア部分の総磁束量に対して、８０％程度あればよいことがわかる。

また表１に、入力電圧は２９０Ｖ、出力電圧ＡＣ２００Ｖ、駆動周波数１８ｋＨｚの条件のＤＣ／ＡＣコンバータ（いわゆるインバータ）に実装したときの各リアクトルに使用したコアの推定コア損失値も示している。該推定コア損失値は、各コア材質のコア損失データを使用し、コア内部に発生する磁束変化量から推定した値である。なお、前記推定コア損失には、漏洩磁束がコイルに交差することによりコイル上に発生する渦電流損失は含めていない。

Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの鉄損は、磁束変化量と周波数が同一の条件下では圧粉コアの数分の一以下であり、このためコアの一部にフェライトを使用した１−ｃ〜１−ｇでは、大幅にコア損失が低減されている。

図４は請求項３記載のリアクトルの実施例を説明するものであり、ボビン２３に巻回されたコイル２４の取付巻回軸の棒状の圧粉コア２１と２つのＵ型フェライトコアを組み合わせてなる日字型の複合コアを用いたリアクトルの断面図である。実施例１と同様にコイル２４の取付巻回軸となるコア部分に、Ｂｓの高い圧粉コアを使用することにより、前記コア部分のコア断面積を小さくでき、該コア部外周のコイル抵抗を抑制することができる。また、当該日字型コアにおいて、圧粉コア２１よりフェライトコア２２の占める割合が多く、リアクトル全体のコア損失は請求項１の場合よりも低減させることが可能である。

図４の形態において、棒状の圧粉コア２１の断面積は一定とし、Ｕ型コア２２の断面積を変化させた場合の特性を比較した。

圧粉コア２１は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末からなり、コア断面積は１２３ｍｍ^２、Ｕ型のフェライトコア２２は、Ｍｎ−Ｚｎソフトフェライト使用し、コア断面積は１７０ｍｍ^２を初期値とし、段階的に前記断面積を削減して特性を測定した。なお、リアクトルとしての寸法は３５−４０−高さ３０（ｍｍ）、直流抵抗は７０ｍΩで、当該リアクトルの温度上昇より、連続的に通電できる許容可能な電流は７Ａ程度である。

この実施例２も上記の実施例１と同様に各材質コア部分の総磁束量比率を下表２に示す。また、比較例として、２つのＵ型フェライトコア２２を圧粉コアで構成したものも加えた。本実施例２における全てのリアクトルは、０Ａ時のインダクタンス値が２５０μＨになるように、ギャップＧを調整した。図４に各リアクトルの直流重畳特性示す。

実施例１と同様に、フェライトコアの断面積を削減するにつれて、インダクタンスの低下が急減していることがわかる。特に圧粉コアに対するフェライトコアの総磁束量比率が３５％の２−ｅの場合は、８Ａ付近でインダクタンスの低下が始まっている。このことより、温度の上昇とともにフェライトのＢｓが低下することを考慮すると、総磁束量比率の４０％程度がフェライトの断面積を削減できる下限であると判断される。

表２に、各リアクトルをＤＣ／ＤＣコンバーターに使用したときのコア損失を推定値を示しており、コンバータの仕様は、入力３８０Ｖ、出力４８Ｖ、出力電流７Ａ、駆動周波数１００ｋＨｚと仮定したコア損失であり、比較例のコア全体が圧粉コアからなる２−ａに対し、図５に示す複合コアからなる２−ｂ〜２−ｅは、コア損失が著しく改善されていることわかる。

請求項６の実施例として、本発明のリアクトルにおけるコイルの取付巻回軸となるコア部分を軟磁性合金粉末で構成することを要件とし、圧粉コアは軟磁性合金粉末に絶縁皮膜を施してプレス金型に入れ高圧で加圧成型される成型体の総称であるが、特にプレス工法によらず他の方法（一例としては射出成型）で成型された軟磁性合金粉末によるコアであってもよい。

図６はその一例であり、コイル３４が巻回するボビン３３と該ボビン３３を囲むフェライトコア３２に、フェライトコア３２に施された注入口３２ａから、液状のエポキシ樹脂に軟磁性合金粉末を混合したものを注入して硬化させたコア３１とからなる、複合コアを使用したリアクトルの断面図である。図６のコア３１は、予め当該形状としたものを使用してもよく、軟磁性合金粉末からなるコア３１のＢｓがフェライトコア３２のＢｓより大きい値であれば、本発明に記載の効果を得ることができる。

本発明のリアクトルの第１の実施例を示す斜視図である。 本発明のリアクトルの第１の実施例の部品構成および構造を示す分解斜視図である。 本発明のリアクトルの第１の実施例における直流重畳特性図である。 本発明のリアクトルの第２の実施例を示す断面図である。 本発明のリアクトルの第２の実施例における直流重畳特性図である。 本発明のリアクトルの別の実施例を示す断面図である。 従来技術のリアクトルの断面図である。 別の従来技術のリアクトルの断面図である。

符号の説明

１１：圧粉コア １２：フェライトコア １２ａ：凹部
１３：ボビン １３ａ：中空孔 １４：コイル

Claims (6)

1. 軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、コイルは前記軟磁性合金圧粉コア部分のみを取付巻回軸としたことを特徴とするリアクトル。
2. 軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、２つの棒状の軟磁性合金圧粉コアが平行配置され、前記棒状の軟磁性合金圧粉コアの同一方向の端部間を繋ぐ板状あるいは棒状の２つのソフトフェライトコアにより、四辺形の閉磁路複合コアを形成し、かつ、前記軟磁性合金圧粉コアのみを取付巻回軸とするコイルで構成されていることを特徴とする請求項１記載のリアクトル。
3. 軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コアにコイルを設けてなるリアクトルにおいて、ソフトフェライトコアはロ字型形状であり、該ロ字型のソフトフェライトコアの一対の対向辺を棒状の軟磁性合金圧粉コアが繋ぎ、日字型の閉磁路複合コアを形成し、かつ、前記軟磁性合金圧粉コアのみを取付巻回軸とするコイルで構成されていることを特徴とする請求項１記載のリアクトル。
4. ソフトフェライトコアの飽和磁束量が、軟磁性合金圧粉コアの飽和磁束量の４０％から８０％の範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項３記載のリアクトル。
5. 軟磁性合金圧粉コアとソフトフェライトコアを組み合わせた複合コア全体の透磁率を調節するため、軟磁性合金圧粉コアの端部と、ソフトフェライトコアの間にギャップを設けたことを特徴とする請求項１から請求項４記載のリアクトル。
6. 軟磁性合金圧粉コアの代わりに、軟磁性合金の粉末を結合剤で相互に結合してなる粉末成形コアを用いることを特徴とする請求項１から請求項５記載のリアクトル。

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